UPS電源監測系統在鐵路的應用

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定

摘要：為了確保鐵路火車的可靠運行，需要為鐵路用電系統等提供可靠的電源，目前大部分鐵路系統已經使用UPS為用電設備提供不間斷電源，為了實現對UPS運行狀況、蓄電池參數、電網質量實時、準確的監測，需要設計一套專門的UPS電源監測系統，本文就是主要介紹基于人機界面和不間斷電源UPS、ACR諧波儀表、蓄電池模塊設計實現的一套鐵路UPS電源監測系統，系統可以實現對UPS的輸入參數、輸出參數、旁路參數采集顯示；蓄電池電壓、充放電電流、溫度等參數監測；進線回路電壓、電流、功率、波峰系數、不平衡度數據顯示；逆變輸出的逆變器溫度、電流、逆變器狀態顯示，整個系統提高了鐵路電網用電質量并保證了電網監測管理水平^[1]，具有簡明實用優點。

關鍵詞：UPS電源監控；蓄電池監測；人機界面；鐵路電網自動監控

0 引言

    隨著鐵路運行規模的不斷擴大，為鐵路用電設備提供可靠的工作電源，對保障鐵路系統的安全運行有著重要意義，UPS能夠向負載提供更為穩定的電壓，一旦輸入電源中斷，可在短的時間內開啟自身的儲備電源，向負載供電。

    隨著UPS電源的廣泛應用，需要對UPS運行參數及狀態進行監測，UPS監測系統成為了UPS供電的重要組成部分，系統主要實現對UPS供電過程中的輸入、輸出電壓、電流、功率、頻率、不平衡度、電池容量等參數及輸出狀態、旁路運行狀態、逆變器狀態、充放電狀態、市電狀態、故障狀態等實現監測，同時對整個電網系統進行監控、管理及控制，確保了UPS用電設備安全運行，減少人員現場工作量；蓄電池也是UPS供電較為重要的部分，因此需要對蓄電池實時在線監測、管理，蓄電池監測系統就是用來實現對各個電池組電壓、電流、溫度、電阻等運行參數、蓄電池各項性能狀況監控，便于發現蓄電池在運行中的安全隱患，為蓄電池的穩定、可靠運行提供重要保障，整個系統能夠實現電網電能質量監測、諧波分析，為鐵路用電系統提供可靠、的電網電能。

    本文以鐵路UPS監測管理為例，提出利用觸摸屏和UPS電源、諧波表ACR及蓄電池監測模塊等研制一套UPS監測系統應用在鐵路中，為鐵路用電設備提供高質量電網電能并實現實時監測、管理。

1、用戶需求

    為了實現對鐵路UPS運行狀況、運行數據集中監控，提高電網電能質量，保證電網監測管理水平，對所設計的UPS監測系統提出以下需求：

實時顯示:

    UPS：1#UPS、2#UPS電壓、電流、有功功率、視在功率、不平衡度等基本參數與逆變輸出狀態、旁路運行、旁路相序、整流狀態等，通過人機界面能夠實時觀測到UPS運行參數及運行狀 況；

    逆變輸出：逆變器溫度、電流狀態、逆變器狀態、充電器狀態顯示，實時了解到UPS供電逆變輸出時的逆變器運行狀態；

    蓄電池：蓄電池組總電流、電壓、電池充放電狀態、電池連接狀態、32組電池中每節的電壓、溫度、內阻參數，用戶通過數據顯示能清楚的了解到蓄電池工作情況；

    進線回路：市電、電流、功率、功率因數、不平衡度、波峰系數、波形因子、諧波棒圖實時顯示，讓用戶實時監測到當前電網電能質量；

參數設置:

    完成對ACR諧波儀表的電流值、電壓值、電壓不平衡度、電流不平衡度等參數報警值設置，電網電能參數超過系統設置的限值，自動發生報警指示，保證用電設備能夠得到高質量電網電能；

    蓄電池組的內阻報警值、溫度報警值、高低限電壓報警值設置，當發生報警時，在人機界面直觀的顯示，為蓄電池的穩定、可靠運行提供保障；

故障記錄:

    主要實現對1#UPS及2#UPS運行過程中出現的電池未連接、無輸出等故障進行記錄顯示，便于用戶實時了解到UPS當前運行情況，對出現的故障進行及時處理，保證系統的正常運行。

2、設計方案

    該項目基于用戶對UPS監測系統的需求，采用昆侖通態觸摸屏MCGS TPC7062KX與安科瑞ACR320ELH諧波儀表、伊頓UPS、禾嘉科技蓄電池絕緣監測模塊，實現對UPS的輸入、輸出、旁路電壓、電流、功率、頻率、不平衡度、電池容量等參數顯示；逆變輸出的輸出狀態、旁路運行狀態、逆變器狀態、充放電狀態、市電狀態、故障狀態等實現監測；蓄電池電壓、充放電電流、溫度等參數監測；進線回路電壓、電流、功率、波峰系數、波形因子、電流系數、不平衡度數據顯示，既能保證鐵路用電系統的正常運行，又能提高鐵路電網電能質量。

    對鐵路電網智能UPS監測管理系統的設計滿足以下所列制造和試驗標準：

2.1參考標準

DL/T721-2000        《電網自動化系統遠方終端》

JGJ/T 16-92         《建筑電氣設計規范》

GB/J63-90           《電力裝置的電測量儀表裝置設計規范》

GB/T13729-2002      《遠程終端通用技術條件》

GB/50198-2011       《監控系統工程技術規范》

DL/T 814-2002       《配電自動化系統功能規范》

DL/T634-2002        《遠動設備和系統傳輸規約基本遠動任務配套標準》

DL/T645-2007        《電網質量管理分析》

GB/50198-2011       《監控系統工程技術規范》

DL/T5003-2005       《電力系統調度自動化設計技術規程》

2.2系統結構圖

    為滿足鐵路UPS監測系統的統一監控、管理要求，現場UPS、諧波儀表ACR及電池絕緣監測模塊等設備通過屏蔽雙絞線連接至觸摸屏^[2]，實現觸摸屏對現場數據的采集、實時顯示、參數的設置、故障記錄，拓撲結構如圖1所示。                                                     

                                                      UPS電源                     ACR儀表                      蓄電池監測模塊

圖1 UPS監測系統拓撲結構圖

    系統總體架構如下圖2所示，系統主要包括UPS1、UPS2、ACR320、濾波器、電池監測模塊等，在電源正常供電時，系統從電源側將交流電源直接送到用電設備，同時通過濾波器將電網電源濾波送至UPS供電系統，經過整流器將交流電源變換為直流電供給逆變器，同時給蓄電池組充電，逆變器將直流電變換成交流電，如果出現主輸入電源斷電，啟用UPS供電系統，或整流器出現故障，由蓄電池組逆變轉換給負載供電^[4]，保證了整個系統的正常運行；在輸入電源側及UPS電源輸出側接入ACR諧波儀表實時監測電網參數、電網質量、諧波數據，進行電網質量及諧波分析，利用觸摸屏對UPS電流、電壓，蓄電池電流、電壓，電網質量、諧波數據實時監測，保證電網電能質量。

圖2 系統總體架構圖

2.3 主要設備清單

表1 設備清單表

2.4 產品介紹

1. 網絡電力儀表

（1）產品外形

實物圖                                  尺寸圖

圖3  ACR320ELH外形圖

（2）技術指標

輸入電壓額定值：AC100V、400V

電壓功耗：<0.2VA

電流額定值：AC 1A、

輸入電流過負荷：1.2倍持續，瞬時10倍/10秒

電能脈沖：2路脈沖輸出，10000、40000、160000imp/kwh

工頻耐壓：2kV/1min交流值

環境溫度：工作：-10~+55℃，存貯：-25~+70℃

頻率：50 ± 5Hz，60 ±5Hz

工頻耐壓： 2kV/1min交流值

環境濕度：≤95%RH，不結露，無腐蝕性氣體場所

精度等級：電流、電壓：0.2級，功率、有功電能：0.5級，頻率：0.05Hz

    無功電能：1級

2.  UPS電源監測軟件

（1） 軟件的組成

     軟件生成的用戶應用系統，由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略五個部分構成，如圖4所示。

圖4  軟件組成圖   

     主控窗口：確定了工業控制中工程作業的總體輪廓，以及運行流程、特性參數和啟動特性等項內容，是應用系統的主框架；

    設備窗口：專門用來放置不同類型和功能的設備構件，實現對外部設備的操作和控制。設備窗口通過設備構件把外部設備的數據采集進來，送入實時數據庫，或把實時數據庫中的數據輸出到外部設備；

    用戶窗口：可以放置三種不同類型的圖元、圖符和動畫構件，通過在用戶窗口內放置不同的圖形對象，用戶可以構造各種復雜的圖形界面，用不同方式實現數據和流程的“可視化"；

    實時數據庫：是 MCGS 嵌入版系統的核心，相當于一個數據處理中心，同時也起到公共數據交換區的作用，從外部設備采集來的實時數據送入實時數據庫，系統其它部分操作的數據也來自于實時數據庫；

    運行策略：是對系統運行流程實現控制的手段，其本身是系統提供的一個框架，其里面放置由策略條件構件和策略構件組成的“策略行"，通過對運行策略的定義，使系統能夠按照設定的順序和條件操作任務，實現對外部設備工作過程的控制。

（2） 軟件的主要功能

簡單靈活的可視化操作界面，采用全中文、可視化的開發界面，符合使用習慣和要求；

實時性強、良好的并行處理性能，32位系統，以線程為單位對任務進行分時并行處理；

豐富的多媒體畫面，以圖像、圖符、報表、曲線等形式，為操作員及時提供相關信息；

提供了良好的安全機制，可以為多個不同級別用戶設定不同操作權限；

具有強大的網絡通訊功能；

提供多種不同的報警方式，具有豐富的報警類型，方便用戶進行報警設置；

支持多種硬件設備。

3、系統功能

    上位機采用觸摸屏MCGS TPC7062KX，通過觸摸屏進行現場設備連接、數據庫變量配置、界面設計等，完成在上位機中監控現場UPS、諧波表ACR320ELH及蓄電池模塊功能。

3.1 實時顯示

    觸摸屏采集UPS1和UPS2的電壓、電流、功率、功率因數等基本參數及逆變輸出、旁路運行、充放電等狀態參數，并在人機界面進行實時刷新顯示，方便用戶及時了解電源各個

參數及工作狀態，具體數據如下圖5、6所示。

圖5  UPS1數據顯示界面

圖6  UPS2數據顯示界面

     蓄電池監測系統主要監測1#電池組與2#電池組的電壓、電流、溫度、內阻等系列參數并顯示，如下圖7、8所示。

圖7  1#電池參數顯示界面

圖8  2#電池參數顯示界面

    電網參數管理界面用來顯示市電、UPS電參數電壓、電流、功率、不平衡度等參數，電網質量界面顯示波峰系數、波形因子、電流系數等參數，諧波棒圖顯示電壓、電流諧波棒圖，讓用戶實時了解當前電網質量，具體界面如下圖9、10、11所示。     

圖9 電網參數顯示界面

圖10  電網質量顯示界面   

圖11  諧波棒圖顯示界面

3.2 參數設置

    參數設置界面用來設置ACR諧波儀表的電流值、電壓值、電壓不平衡度、電流不平衡度參數設置；蓄電池組的內阻報警值、溫度報警值、高低限電壓報警值設置，當電池參數超過設置的報警值，系統自動產生報警，保證電池正常運行，設置參數界面如下圖12所示。

圖12 參數設置界面

3.3 故障記錄

    故障記錄主要對UPS1和UPS2運行過程中出現的故障進行記錄并實時顯示，讓用戶可以直觀的看到1#UPS和2#UPS運行故障并及時處理，界面如下圖13所示。

圖13 故障記錄界面

4 項目運行效果

    鐵路UPS電源監測系統實現了對UPS工作狀態監視、運行狀態參數顯示及故障實時記錄，確保UPS用電設備安全運行，監控各個蓄電池的充放電、旁路運行情況及蓄電池各項性能狀況，便于發現蓄電池在運行中的安全隱患^[3]，在輸入電源側及UPS電源輸出側接入ACR諧波儀表能夠實時監測電網參數、電網質量、諧波數據，進行電網質量及諧波分析，整個系統自投入運行以來，運轉正常，收到較好的效果，一旦電網電源出現故障，UPS可在短的時間內開啟自身的儲備電源，向負載供電，同時該系統能夠實時準確地提供UPS電源系統電池組每一節電池的電壓情況，對電壓值超出額定范圍的電池進行及時報警，使得維護人員能夠及時更換報警電池，避免了電池組失效和電池異常引起爆炸等危險情況的發生，并且保證蓄電池穩定、可靠運行；使用該系統，減去了工作人員現場檢測每一塊電池的危險工作，也就避免了檢測單塊電池帶給工作人員的安全威脅，減輕了值班人員的壓力；同時參數設置界面，對諧波表的電流值、電壓值、電壓不平衡度、電流不平衡度，蓄電池組的內阻報警值、溫度報警值、高低限電壓報警值設置，保證了監測系統的安全運行。

5結束語

    利用UPS電源監控系統應用在鐵路用電系統上，具有實施簡明、投資少等優點，保證電網電源斷電時系統的正常運行，UPS監測系統運行時可以方便實時地監控UPS工作狀態監視、運行狀態參數，蓄電池組每一節電池的電壓情況，對出現的故障記錄，減去了工作人員現場工作量，同時能夠根據諧波表ACR實時掌握電網電能參數、電網質量、諧波數據、運行狀況等，對現場的用電設備進行統一監控、管理，提出電能管理計劃，采取措施，逐步提高鐵路用電質量。

參考文獻：

[1].周中等編著. 智能電網用戶端電力監控與電能管理系統產品選型及解決方案[M]. 北京. 機械工業出版社. 2011.10

[2].昆侖通態觸摸屏MCGS初級、中級教程. 2013.4

[3].方鳳玲, 李飛燦. 蓄電池監測系統研究[期刊論文]. 機電技術. 2010.3

[4].張建民. 交流UPS供電系統的研究[期刊論文]. 建筑電氣. 2012.8

作者簡介：

徐霜，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為電機保護節能控制